CMOS图像传感器及其方法技术

技术编号:11016638 阅读:142 留言:0更新日期:2015-02-06 03:41
一种有源像素CMOS图像传感器实现了伴随全局快门的全帧数字相关双采样(CDS),其中,基本同时地重置图像传感器中所有的像素,图像传感器中所有的像素基本同时地并且以基本相同的持续时间对入射光进行积分,并且在数字域中执行相关双采样消除。在一个实施例中,该图像传感装置包括光传感元件阵列、定时和控制电路以及模拟到数字转换器。定时和控制电路用于重置阵列中的光传感元件以及控制光传感元件阵列对入射光进行积分。从每个光传感元件的对应光相关像素值中消除像素重置值以产生相关双采样(CDS)校正数字输出像素值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】CMOS图像传感器及其方法
本专利技术涉及一种图像传感器系统,并且具体地涉及实现伴随全局快门的全帧数字相关双采样的有源像素CMOS图像传感器。
技术介绍
数字图像捕获设备使用图像传感器将入射光能量转换成电信号。区域图像传感器包括被称为像素的光传感元件的二维阵列。阵列中的每个像素都与透镜系统一起工作以对场景的局部区域内的入射光做出响应,并产生描述该场景的局部特征的电信号。来自光传感元件的输出被转换成数字形式,并被数字地存储,以形成表示该场景的原始数据。原始数据可以通过图像处理器处理来产生呈现的数字图像。图像传感器的设计包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和数字像素系统(DPS)传感器。CCD图像传感器在现代设计中不是优选的,部分因为CCD典型地消耗较高水平的功率,并且要求相对复杂的模拟前端电路。CMOS图像传感器消耗较低水平的功率,并且包括提供数字输出像素值的内置模拟到数字转换器。DPS图像传感器使用CMOS工艺制造,其中电路设计提供对每个像素的曝光的单独控制。因此,DPS传感器可以被设计成提供高水平的动态范围性能。另外,CMOS图像传感器在像素阵列的外部进行模拟到数字转换,典型地使用基于列的模拟到数字转换。另一方面,DPS图像传感器实现像素级别的模拟到数字转换,其中,对每个像素或像素阵列中的一组像素提供模拟到数字转换器,从而在每个像素处产生数字输出像素值。有源像素CMOS图像传感器被设计成包括在每个像素处的控制晶体管,用于控制光电检测器中的光子积分,控制重置以及为像素提供转换增益。有源像素CMOS图像传感器可以支持滚动快门或者全局快门模式或者这两者。在滚动快门模式下,每一行像素都在比紧接在前面行的像素更晚的时间开始暴露于光或光积分。因此,当场景中的物体正在移动时,滚动快门造成几何失真。另一方面,在全局快门模式下,整个图像传感器中的所有像素同时开始和停止曝光或光积分,因此可以避免由于场景中的运动而引起的几何失真问题。相关双采样(CDS)是一种使用每个像素的重置值以及附加重置的光相关值来消除图像传感器的像素响应中的噪声和非均匀性的方法。在下面的说明中,使用术语“光相关像素值”指代像素的“附加重置的光相关值”。使用CDS使得图像传感器能够获得更好的信号噪声比性能。为了执行CDS,重置像素,并测量重置电压值或对应数字值,从而生成第一采样值。然后使像素曝光预定量的时间,像素对入射光中的光子进行积分以产生取决入射光级别的电压值。测量光相关电压值(包括重置电压值)或对应数字值,从而生成第二采样值。在某些情况下,从第二采样值中减去第一采样值以产生像素位置的输出像素值。在其他情况下,可以认为重置值和光相关像素值是在将光电二极管的电压表示作为时间函数的直线上的两个点,其中可以基于沿直线的内插(interpolation)或外插(extrapolation)来计算输出像素值。在每种情况下,目标都是计算输出像素值,其中用重置值表示的像素值变化被消除。可以使用模拟或数字的方法来实现CDS,另外,可以将其设计成基于顺序(例如,逐行)或基于全帧来工作。为了实现全帧数字CDS,需要存储器为整个图像传感器至少存储第一采样值的阵列。授予D’Luna等人的美国专利5086344描述了一种使用模拟到数字转换器和三个存储元件来执行CCD图像传感器中的数字CDS的电路。该电路设计在本质上是顺序的,特别适应于处理来自CCD图像传感器的像素输出。授予Sauer的美国专利6,320,616描述了一种CMOS图像传感器中的执行模拟CDS的模拟电路。授予Gowda的美国专利6,115,066描述了针对使用滚动快门的CMOS传感器的数字CDS。在定时和控制逻辑电路的控制下,在像素阵列中逐行地对每个像素的重置电压和光相关电压进行采样。对每列使用模拟到数字转换器(ADC)将重置和光相关电压值转换成数字形式,使得它们数字地相减。图1复制了授予Ewedemi等人的美国专利6,809,666的图1,并示出了被设计用于宽动态范围应用的现有技术DPS图像传感器的框图。‘666专利的DPS图像传感器使用多采样(multi-sampling)方法来实现宽动态范围性能。也就是说,DPS图像传感器中的每个数字像素都记录带有时间戳的数字像素值,其中优选地在像素达到饱和之前记录数字像素值。因此,在场景快照内,可以根据照射在DPS图像传感器该部分上的光强度,以不同的曝光时间或光积分时间来记录每个数字像素值。对带有单独时间戳的整个传感器阵列的数字像素值进行外插或内插来产生表示所捕获的图像的归一化像素数据。‘666专利的DPS图像传感器实现了全帧数字CDS。因此,DPS图像传感器包括帧缓冲存储器,用于存储单独像素元件的重置值,使得可以执行基于帧的数字CDS。虽然DPS图像传感器能够提供良好的宽动态范围性能,但是由于设计复杂性,与典型的CMOS传感器相比,它们更加昂贵。
技术实现思路
根据本专利技术一个实施例,一种图像传感器件包括光传感元件的二维阵列,其中,每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管。每个光电二极管产生指示照射在光电二极管上的光的强度级别的输出信号,并且控制晶体管被配置为控制光传感元件阵列的重置、电荷传输以及行选择操作。图像传感器件还包括:定时和控制电路,被配置为产生所述阵列中的每个光传感元件中的控制晶体管的控制信号,其中,所述控制信号控制所述光传感元件阵列的重置、光积分、电荷传输和读出操作;一个或者更多的模拟到数字转换器,被耦合到所述光传感元件阵列的列并且被配置为对从所述光传感元件阵列读出的输出信号进行数字化以产生数字输出像素值;以及存储器,被配置为存储数字输出像素重置值的至少一个帧。在操作中,所述定时和控制电路用于基本同时地重置阵列中的光传感元件,并且读出与所述光传感元件相关联的像素重置值,所述像素重置值存储在所述存储器中;并且,所述定时和控制电路还用于控制所述光传感元件阵列基本同时地并且以基本相同的持续时间对入射光进行积分,并且读出与所述光传感元件相关联的光相关像素值。另外,从阵列中的每个光传感元件的对应光相关像素值中消除像素重置值以产生相关双采样(CDS)校正数字输出像素值。根据本专利技术的另一方面,一种图像传感器件中的方法包括:提供光传感元件的二维阵列,其中,每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管,每个光电二极管产生指示照射在光电二极管上的光的强度级别的输出信号,并且控制晶体管被配置为控制光传感元件阵列的重置、电荷传输以及行选择操作;基本同时地重置所述光传感元件阵列;读出与所述光传感元件相关联的像素重置值;存储所述像素重置值;基本同时地并且以基本相同的持续时间对指示入射光的光传感元件阵列的光电二极管处的电荷进行积分;读出与所述光传感元件相关联的光相关像素值;以及,从阵列中的每个光传感元件的对应光相关像素值中消除像素重置值以产生相关双采样(CDS)校正数字输出像素值。通过考虑下面的详细描述和附图,将更好地理解本专利技术。附图说明图1复制了授予Ewedemi等人的美国专利6,809,666的图1,并示出了现有技术DPS图像传感器的框图。图2示出了根据本专利技术一个实施例实现全帧数字CDS和全局快门的有源像素CMOS图像传感器。图3示出了本文档来自技高网
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CMOS图像传感器及其方法

【技术保护点】
一种图像传感器件,包括:光传感元件的二维阵列,每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管,每个光电二极管产生指示照射在光电二极管上的光的强度级别的输出信号,并且所述多个控制晶体管被配置为控制光传感元件阵列的重置、电荷传输以及行选择操作;定时和控制电路,被配置为生成阵列中的每个光传感元件中的多个控制晶体管的控制信号,所述控制信号控制所述光传感元件阵列的重置、光积分、电荷传输和读出操作;一个或者更多的模拟到数字转换器,被耦合到所述光传感元件阵列的列并且被配置为对从所述光传感元件阵列读出的输出信号进行数字化以产生数字输出像素值;以及存储器,被配置为存储至少一帧的数字输出像素重置值,其中,所述定时和控制电路用于基本同时地重置阵列中的光传感元件,并且读出与所述光传感元件相关联的像素重置值,所述像素重置值被存储在所述存储器中;并且,所述定时和控制电路还用于控制所述光传感元件阵列基本同时地并且以基本相同的持续时间对入射光进行积分,并且读出与所述光传感元件相关联的光相关像素值;并且其中,从阵列中的每个光传感元件的对应光相关像素值中消除像素重置值以产生相关双采样(CDS)校正数字输出像素值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.30 US 13/435,0711.一种图像传感器件,包括:光传感元件的二维阵列,每个光传感元件包括光电二极管和多个控制晶体管,每个光电二极管产生指示照射在光电二极管上的光的强度级别的输出信号,并且所述多个控制晶体管被配置为控制光传感元件阵列的重置、电荷传输以及行选择操作;定时和控制电路,被配置为生成阵列中的每个光传感元件中的多个控制晶体管的控制信号,所述控制信号控制所述光传感元件阵列的重置、光积分、电荷传输和读出操作;一个或者更多的模拟到数字转换器,被耦合到所述光传感元件阵列的列并且被配置为对从所述光传感元件阵列读出的输出信号进行数字化以产生数字输出像素值;以及存储器,被配置为存储至少一帧的数字输出像素重置值,其中,所述定时和控制电路用于通过全局信号基本同时地重置阵列中的所有光传感元件,并且在所述光传感元件对入射光进行积分的时间段期间逐行地读出与所述光传感元件相关联的像素重置值,所述像素重置值被存储在所述存储器中;并且,所述定时和控制电路还用于控制所述光传感元件阵列基本同时地并且以基本相同的持续时间对入射光进行积分,并且读出与所述光传感元件相关联的光相关像素值;并且其中,从阵列中的每个光传感元件的对应光相关像素值中消除像素重置值以产生相关双采样(CDS)校正数字输出像素值。2.如权利要求1所述的图像传感器件,其中,从对应光传感元件的光相关像素值中减去每个光传感元件的重置像素值,以产生该光传感元件的CDS校正数字输出像素值。3.如权利要求1所述的图像传感器件,其中,使用每个光传感元件的重置像素值和对应光传感元件的光相关像素值作为在将光电二极管的电压表示为时间函数的直线上的两个点,并且其中,基于沿所述直线的内插或外插来计算所述CDS校正数字输出像素值。4.如权利要求1所述的图像传感器件,还包括:相关双采样控制和消除电路,被配置为产生控制信号给所述存储器以获取所存储的数字输出像素重置值,并且执行从光相关像素值中消除像素重置值以产生所述CDS校正数字输出像素值。5.如权利要求1所述的图像传感器件,其中,所述光传感元件阵列和所述存储器形成在相同的集成电路上。6.如权利要求1所述的图像传感器件,其中,所述光传感元件阵列形成在与其上形成有所述存储器的第二集成电路分离的第一集成电路上。7.如权利要求4所述的图像传感器件,其中,所述光传感元件阵列、所述存储器以及所述相关双采样控制和消除电路形成在相同的集成电路上。8.如权利要求4所述的图像传感器件,其中,所述光传感元件阵列形成在与其上形成有所述存储器以及所述相关双采样控制和消除电路的第二集成电路分离的第一集成电路上。9.如权利要求1所述的图像传感器件,其中,每个光传感元件包括四个控制晶体管,包括:传输门晶体管,被配置为在被置位时将所述光电二极管上的电荷传输到浮置扩散区;重置晶体管,被配置为在...

【专利技术属性】
技术研发人员:T艾尔斯FT布拉迪J康PW王
申请(专利权)人:匹克希姆公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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